Làm thế nào để thiết kế một bài giảng hấp dẫn, thu hút sự chú ý và tăng cường hiệu quả học tập cho học sinh? Vào cuối năm 2022, một khách mời đặc biệt xuất hiện trong các lớp học tiếng Anh ở Trường Liên cấp Tiểu học Ngôi Sao Hà Nội đã hóa giải được vấn đề “muôn thuở” này.

Các bạn học sinh đã cùng tập thể dục, múa hát, học bài, chơi trò chơi, giao tiếp với vị khách có đôi mắt tròn xoe màu xanh dương, “làn da” trắng sáng và phát âm tiếng Anh chuẩn bản xứ. Tiết học tưởng chừng khô khan bỗng chốc biến thành một buổi vừa học vừa chơi đầy vui vẻ. Đến lúc kết thúc, nhiều học sinh vẫn lưu luyến nắm tay, chào tạm biệt và hào hứng khen ngợi người bạn mới gặp này thật “so cute” (quá dễ thương).

Nhân vật đặc biệt này là robot BonBon - một sản phẩm của các nhà nghiên cứu ở Học viện Kỹ thuật quân sự. Khi biết danh tính, hầu hết mọi người đều bất ngờ bởi phần lớn robot đang có trên thị trường hiện nay đều được ứng dụng trong các ngành sản xuất. Những lĩnh vực đòi hỏi sự kết nối và sáng tạo của con người như giáo dục có vẻ hơi xa vời bởi robot vốn không thể đồng cảm, quan tâm đến học sinh giống như các thầy cô giáo. Hơn nữa, hầu hết robot chỉ thực hiện các bài giảng đã được lập trình, khó có thể đáp ứng những tình huống mới phát sinh.

Robot BonBon cao 1,27m và nặng 40 kg của nhóm giảng viên Học viện Kỹ thuật quân sự có thể hỗ trợ dạy tiếng Anh, giao tiếp và vui chơi với học sinh tiểu học. Ảnh: NVCC

Bất chấp hạn chế, trợ giảng robot đã chứng minh được hiệu quả trong thực tế và ngày càng được chào đón ở nhiều quốc gia trên thế giới, tiêu biểu là Thụy Sĩ, Nhật Bản, Phần Lan, Hàn Quốc, Ấn Độ… Tại sao họ phải chế tạo những robot giống người phức tạp và tốn kém, thay vì sử dụng các nhân vật ảo hoặc phần mềm học tập cũng có khả năng tương tác với con người? Rất dễ thấy, cả hai đem lại trải nghiệm hoàn toàn khác biệt.

“Nếu cho học sinh ngồi nói chuyện với phần mềm, chỉ được một lát thôi, các bạn ấy sẽ rất nhanh chán. Nhưng robot có hình dạng giống người có thể giao tiếp, trao đổi, múa hát và có các hành động, cử chỉ, điệu bộ đa dạng. Robot sẽ cùng học tập, vui chơi với học sinh giống như một người bạn”, TS. Lê Đình Sơn ở Học viện Kỹ thuật quân sự, giải thích.
Cơ hội để tạo ra một robot như vậy cho Việt Nam - robot BonBon, đã đến qua đề tài “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo robot thông minh hình dáng giống người, hỗ trợ dạy tiếng Anh trong trường tiểu học” (thuộc Chương trình KC-4.0/19-25).

“Khi làm đề tài, chúng tôi nghĩ đến hai vấn đề. Một là tạo ra sản phẩm robot thông minh có hình dáng giống người trên cơ sở tích hợp các công nghệ tiên tiến để hỗ trợ dạy tiếng Anh ở cấp tiểu học, đáp ứng được nhu cầu thực tế. Thứ hai là giải quyết những vấn đề kỹ thuật mang tính liên ngành, từ thiết kế chế tạo cơ khí cho đến điện – điện tử, điều khiển và công nghệ thông tin”, TS. Lê Đình Sơn, chủ nhiệm đề tài, cho biết.

Giải quyết bài toán liên ngành

Theo xu hướng nghiên cứu các robot tiên tiến trên thế giới, việc chế tạo robot thông minh giống người không phải là chủ đề quá xa lạ ở Việt Nam. Robot có thể giao tiếp, trả lời câu hỏi, khiêu vũ… đã được một số nơi nghiên cứu thành công, thậm chí đưa ra thương mại hóa trên thị trường. Tuy nhiên, một robot hỗ trợ dạy tiếng Anh cho học sinh tiểu học cần nhiều hơn thế.

Nhóm nghiên cứu xác định “nó phải có hình dáng, kích thước tương đương với học sinh tiểu học, ngoại hình hấp dẫn, ưa nhìn và tương tác an toàn với trẻ em. Về hoạt động, robot phải có khả năng tương tác nhịp nhàng, đáp ứng nhu cầu của cả người dạy lẫn người học, bám sát chương trình tiếng Anh tiểu học hiện nay. Robot cũng phải có chi phí phải chăng, dễ bảo dưỡng và phù hợp với điều kiện của Việt Nam".

Robot BonBon tập thể dục cùng các học sinh ở Trường Liên cấp Tiểu học Ngôi Sao Hà Nội. Ảnh: NVCC

Đằng sau những yêu cầu ngắn gọn này là vô số bài toán phức tạp đặt ra cho các nhà nghiên cứu. Để thực hiện được những thao tác, biểu diễn, phần thân trên robot (gồm phần đầu và cánh tay) cần có đủ số bậc chuyển động tự do. Phần thân dưới cũng phải đảm bảo di chuyển linh hoạt để phát hiện và tránh các chướng ngại vật. Muốn tương tác với con người bằng giọng nói, hình ảnh, đáp ứng các yêu cầu trong giảng dạy tiếng Anh cho trẻ em một cách hiệu quả và an toàn, robot cần được trang bị rất nhiều thiết bị và cảm biến.

Việc tích hợp tất cả những tính năng và thiết bị này vào một robot có hình dáng tương đương với một học sinh tiểu học khó hơn rất nhiều so với chế tạo những robot cỡ lớn. “Hệ thống cơ điện của robot thông minh hình dáng giống người rất phức tạp, do robot có nhiều bậc tự do ở các bộ phận khác nhau, mật độ bố trí các thiết bị trong các bộ phận của robot rất cao”, nhóm nghiên cứu giải thích. “Chúng tôi cần đảm bảo tích hợp nhiều loại thiết bị cơ, điện, điện tử và điều khiển trong không gian hạn chế mà vẫn đảm bảo khối lượng, kích thước gọn nhẹ, giúp robot có hình dáng giống người và ưa nhìn”.

Nhào nặn xong ngoại hình, họ tiếp tục “thổi hồn” cho robot bằng cách phát triển hệ thống phần mềm. Đây là cốt lõi giúp robot ứng xử tương tự con người. Chẳng hạn, khi học sinh vẫy tay, robot phải nhận dạng hành động, xác định là tín hiệu chào hỏi, sau đó xây dựng phương án đáp ứng, thể hiện ở đầu ra vẫy tay và lên tiếng chào lại. Nhưng khi phản hồi, robot nên vẫy tay hay cất tiếng chào trước, hoặc thực hiện đồng thời cả hai? Để điều phối các hành động của robot, nhóm nghiên cứu đã xây dựng các chương trình điều khiển cho từng bộ phận, bao gồm chương trình điều khiển cánh tay, phần đế di động, chương trình dạy học cho cánh tay robot, chương trình điều khiển tổng thể robot theo các kịch bản. Tất cả được thực hiện dựa trên hệ điều hành robot (ROS) - một khung kiến trúc nền tảng mã nguồn mở cho phép phát triển và tích hợp các ứng dụng robot.

Quy trình xử lý thông tin đầu vào diễn ra trơn tru nhờ các chương trình nhận dạng khuôn mặt, cử chỉ con người, ứng dụng AI để xử lý âm thanh và xử lý ngôn ngữ tự nhiên, chương trình chatbot tương tác giữa người và robot bằng giọng nói. Dữ liệu là yếu tố không thể thiếu trong quá trình này. “Chúng tôi đã xây dựng các thư viện dữ liệu rất có ý nghĩa bao gồm dữ liệu giọng phát âm của robot, bộ dữ liệu các câu tương tác của robot, bộ dữ liệu chương trình tiếng Anh tiểu học với các bài học, bộ dữ liệu các kịch bản sử dụng robot, bộ dữ liệu các cử chỉ thao tác và hành động của robot”, nhóm nghiên cứu cho biết. “Đây sẽ là nền tảng để phát triển các ứng dụng sau này”.

Dù tốn không ít thời gian và công sức giải quyết các bài toán này song kết quả mà nhóm nghiên cứu nhận được hoàn toàn xứng đáng. Ngoài những sản phẩm học thuật gồm bốn bài báo khoa học (hai bài báo quốc tế, hai bài trong nước), tham gia đào tạo bốn thạc sĩ, một tiến sĩ, đăng ký bảo hộ thành công một giải pháp hữu ích, điều ý nghĩa hơn cả là giá trị ứng dụng thực tế của robot BonBon. Khi đưa vào thử nghiệm ở một số trường tiểu học ở Hà Nội và Bắc Kạn, BonBon nhanh chóng nhận được phản hồi tích cực vì đã tạo hứng khởi cho các bạn học sinh, giúp tiếp thu bài học hiệu quả hơn.

“Khi chúng tôi mang lên Bắc Kạn, nhà trường đã tập hợp rất nhiều giáo viên trên địa bàn đến xem. Hiện nay, một số trường cũng đề nghị tiếp tục sử dụng robot trong hoạt động giảng dạy thực tế của nhà trường”, TS. Lê Đình Sơn cho biết.

Tối ưu nguồn lực sẵn có

Với bất kỳ sản phẩm nào, hành trình đi từ những bước đầu tiên đến sản phẩm hoàn thiện bắt buộc phải trải qua những công đoạn “thử và sai”. Nhưng với đề tài chế tạo robot BonBon, TS. Lê Đình Sơn và các cộng sự không có cơ hội này. Trong bối cảnh nguồn lực đầu tư cho KH&CN ở Việt Nam vẫn còn hạn chế, kinh phí cấp cho nhóm nghiên cứu chỉ đủ mua nguyên vật liệu để chế tạo đúng một con robot. Dù mạo hiểm nhưng đây cũng là cơ hội để biến ý tưởng chế tạo robot giống người mà nhóm nghiên cứu nung nấu từ lâu trở thành hiện thực.

“Khi nhận đề tài, chúng tôi cứ đau đáu về những vấn đề có thể xảy ra trong quá trình nghiên cứu, liệu có thành công không, nếu nó bị hỏng thì sẽ thế nào”, TS. Sơn kể lại.
Nhờ sự chuẩn bị kỹ lưỡng, giữa những mông lung, họ vẫn nhìn rõ con đường cần đi. “Chúng tôi đã xây dựng rất bài bản từ ý tưởng nghiên cứu đến từng bài toán nhỏ và bài toán tích hợp cần giải quyết, tính khả thi của các phương án… Bởi vậy, khi triển khai, chúng tôi không vướng những vấn đề mấu chốt về kỹ thuật”, TS. Lê Đình Sơn cho biết. Để tiết kiệm chi phí, nhóm nghiên cứu đã tăng cường tính toán mô phỏng trên máy tính trước khi chế tạo. Tất nhiên, từ mô phỏng sang lắp ráp thực tế sẽ có “độ vênh” nhất định, nhưng tất cả vẫn nằm trong tầm kiểm soát.

“Điều may mắn là chúng tôi có được một đội ngũ có năng lực chuyên môn rất tốt, rất đam mê, dù tuổi đời còn rất trẻ”, TS. Lê Đình Sơn chia sẻ. Tương ứng với những bài toán đã vạch ra, đội ngũ được chia thành ba nhóm chính: thiết kế - chế tạo cơ khí, điều khiển tự động và công nghệ thông tin.

Việc quy tụ những tài năng trong nhiều lĩnh vực khác nhau giúp nhóm nghiên cứu có đủ năng lực để giải quyết những bài toán phức tạp. Tuy vậy, sự khác biệt cũng đặt ra những thách thức trong quá trình phối hợp. “Tất nhiên khó tránh khỏi những lúc bất đồng ý kiến, nhưng đó cũng là chuyện bình thường, vì tất cả đều nhằm mục tiêu đạt được kết quả tốt hơn, nên cũng dễ dàng giải quyết”, anh cho biết.

Ngoài những sản phẩm hữu hình, một trong những giá trị lớn nhất sau khi thực hiện đề tài này là “các anh em đều trưởng thành hơn rất nhiều”, TS. Lê Đình Sơn nhận xét. “Khi phát triển các hướng nghiên cứu mới tiếp theo, thay vì làm đơn lẻ như trước đây, giờ mọi người có thể kết hợp với nhiều bên để giải quyết nhiều bài toán thực tế hơn”.
Rất có thể, nhóm nghiên cứu sẽ làm được hơn thế nếu được đầu tư xứng đáng. Liệu robot BonBon có thể hoàn thiện hơn để sẵn sàng ra ngoài thị trường? “Chúng tôi đã lên kế hoạch cho các phiên bản robot tiếp theo, nếu đủ nguồn lực, hoàn toàn có thể làm được robot mềm mại hơn, tối ưu hơn, phù hợp với thực tế hơn. Nhưng chúng tôi không có đủ kinh phí. Làm thế nào để tiếp tục phát triển sản phẩm robot có thể có nhiều ứng dụng hơn và mang lại hiệu quả cao hơn trong thực tế là điều mà chúng tôi vẫn đang suy nghĩ và giải quyết”, TS. Sơn nói.